各位旅客请注意，我们正遇到不稳定的气流，飞机有些颠簸，请您回到座位上并系好安全带。洗手间暂停使用，正在使用洗手间的旅客，请您注意抓好扶手。颠簸期间，我们将暂停客舱服务，感谢您的理解。Ladies and gentlemen, we are now encountering some turbulence. Please return to your seats and fasten your seat belt. Lavatory is not to be used. When you are using lavatory, please hold the handle tightly. During turbulence, we will stop the cabin service. Thank you!
我们很多人都听到过上面这段飞机广播。以下是今天要开展的讨论：
飞机颠簸经常发生吗？还是都被我碰到了？
飞机颠簸时，为什么让我们系好安全带？

不稳定气流怎么来的？

最新研究说气候变化还会让飞机更颠簸？
有什么应对措施吗？

飞机颠簸是常事，带来的损失还不小
遭遇不稳定气流（湍流）还挺常见的。
我们来看一点来自美国的数据：
根据美国国家运输安全委员会报告：从2009年到2022年，商业航班上有163人受伤需要住院治疗，私人飞机上有38人死亡。每年有数百万人乘坐飞机，其中有30名乘客和116名机组人员因湍流而严重受伤。这里“严重伤害”的定义是：需要住院超过 48 小时，或导致骨折、严重肌肉或肌腱损伤、内脏损伤或二度或三度烧伤的伤害。根据美国国家大气研究中心 (NCAR)报告：因湍流造成的飞机结构损坏、航班延误和人员伤亡，仅在美国就带来每年1.5亿至5亿美元的损失。
不系保险带，最容易受伤
根据美国国家运输安全委员会 2021 年的一份报告，大多数因湍流而严重受伤的乘客都没有系安全带，这通常是因为他们正在使用洗手间或在过道上走来走去。行李从头顶行李箱掉下来砸到人的头部、人绊倒或被扔到座位上或机舱侧面，或者餐车撞到人都会造成伤害。机组人员也是如此，他们最常在准备机舱着陆或进行客舱服务（例如提供食物或饮料或收集垃圾）时受伤。
湍流有多种起源，但最危险的是“晴空湍流”（CAT）
湍流的来源有好几个。比如高耸的积雨云（cumulonimbus clouds）会带来湍流。云中的空气与外部空气的温度、压力和速度都不一样，两者混合后引发大气不稳定。
来自积雨云的湍流通常可以提前检测到，因此还能尽量规避严重的后果。比它更危险的是晴空湍流（clear air tubulence, CAT）。机载雷达设备无法提前检测到CAT。而它带给飞机的垂直加速度，足够将乘客抬离座位。
CAT是由垂直风切变（随高度不同而出现的风速的急剧差异）引起的。具体来说是这样的。风，来自地球较冷的极地地区和较温暖的赤道地区之间的温差，且因为地球自转而自西向东弯曲。商业航班通常在大约9至12公里的高度巡航，那里的大气层中存在狭窄的强风带（称为急流jet stream），强风带的上下边界的风速会迅速下降，当快慢风速差别太大时，水平吹的风会获得不断增加的垂直速度分量。当这些风形成湍急的漩涡时，就会出现危险。这种效应在北半球和南半球的冬季更为明显，此时两极变冷，地球温差增强，风也就更大。
仿真显示，未来二氧化碳浓度上升后，晴空湍流严重的区域。
气候变化带来更多“晴空湍流”
全球变暖是个事实。而由于全球各地变暖的程度不一样，会加剧晴空湍流。具体来说，低纬度地区由于赤道上方大气中存在大量水蒸气，而水蒸气本身就是一种温室气体，它会加速变暖，使空气中含有更多的水，从而形成变暖的反馈循环。最终，这个过程导致喷射流的温差增加，从而导致风速增加、边界剪切力增加以及湍流增加。
2013年，研究小组得出结论，大气中二氧化碳的增加会影响湍流。研究人员发现，在北半球冬季，中度或以上的CAT（飞机垂直加速度超过0.5个重力加速度，且不安全的机载物体将被移动）到本世纪中叶可能会增加 40-170%。在今年 3 月发表的一项使用更最新模型的研究中，该团队提出，全球近地表变暖每升高 1°C，北大西洋上空的中度湍流就会增加 9-14%。Williams还想知道，世界气候变暖给CAT已经带来的变化，然而飞机对湍流的记录历史不长，且数据归航空公司所有。为了填补这个空白，Williams和同事检查了历史3D卫星数据以及特定位置的温度、风速、压力和湿度读数。将这些观察结果与流体动力学方程相结合，他们能够重建北大西洋急流的大小和速度。2019年他们报告称，自1979年卫星观测开始以来，风切变量增加了 15%。对大西洋和美国大陆的检查采用了更严格的分析方法后，他们得到了迄今为止最好的证据，该证据表明气候变化已经并将继续增加严重 CAT 事件的数量。
Williams说：“这些研究传达了一个非常明确、一致的信息。我们预计，到2050年至 2080年，严重的湍流将会增加两到三倍。” 这很可能不仅限于大西洋。模拟中国东南部、西太平洋和印度北部也得到类似结果，预计到 2059 年，这些地区因 CAT造成的严重湍流将增加约15%。
遭遇中等或严重晴空湍流的概率，从1979年到2020年显著上升。
Credit: M. C. Prosser et al., Geophys. Res. Lett. 50, e2023GL103814 (2023)
大气科学家Robert Sharman表示，他的团队也发现了CAT增加的类似结果。他还补充说，气候因素还可能导致其他类型的湍流增加。山区上空快速气流导致的大气不稳定，因此预测与云有关的湍流会增加。
寻找解决方案，开发飞机预警
开发飞机预警系统是一项挑战，因为传统雷达天气监测系统无法探测到CAT。
德国航空航天中心大气物理研究所的Patrick Vrancken参与了最近几个利用激光雷达远程感知湍流的项目。Vrancken的团队与法国航空航天实验室ONERA合作，检测激光脉冲反向散射的频率。当空气快速接近和远离飞机时，频率会发生变化，也就是多普勒频移。该系统在飞机飞行路径上方和下方100-300米进行多点持续测量，以监测湍流。如果监测到前方空气恶劣，它可以调整铰接副翼和机翼的其他部件，以抵消升力并减轻飞机上的结构应力。Vrancken说： “它无需飞行员干预，是真正的自动系统。”
波音公司还与日本宇宙航空研究开发机构和三菱公司一起开发并测试了基于激光雷达的系统。
Stratodynamics的红外湍流监测系统在新墨西哥州上空进行试验
Stratodynamics航空公司已完成次声系统（infrasound system）的多次飞行测试。该系统基于 NASA 许可技术，可检测CAT区域由于产生的波动压力而发出的低于20Hz的声波。该公司正在发射空客 Perlan Mission II 的牵引机上测试其系统，这是一种有人驾驶的平流层滑翔机，设计高度可达约 27 公里。
这种检测系统最终是否会出现在商用飞机上还有待观察。比如，Vrancken的团队正在与欧洲一家大型飞机制造商合作，他希望该系统将在五到八年内准备好投入市场。他说，湍流增加的事实证据，让制造商对检测技术更感兴趣，毕竟十年前这些系统似乎还不会让成本降低。他补充说，航空公司不仅对乘客安全感兴趣，还对提高效率以减少碳排放感兴趣。
科学家和工程师寻找解决方案的同时，我们作为乘客应该有心理准备，以后的航班可能会更加颠簸。从今以后，你是否会全程都会系安全带呢？
资料来源：
[1]https://pubs.aip.org/physicstoday/online/42676/Climate-change-portends-a-turbulent-future-for?searchresult=1

（doi.org/10.1063/PT.6.1.20230905a）
[2]飞机越来越颠？都是气候变化惹的祸
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_23447793
[3]气候变暖搅动全球航运，晴空颠簸只是“冰山一角”
https://new.qq.com/rain/a/20230721A01
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